百萬(wàn)噸級(jí)CO2捕集煙氣集成處理塔流場(chǎng)模擬及優(yōu)化

韓 冰,李清方,劉海麗,于惠娟,張舒漫,王 輝

1.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,山東東營(yíng) 257000

2.山東萊克工程設(shè)計(jì)有限公司,山東東營(yíng) 257000

CO2捕集利用與封存（Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS）技術(shù)是目前最有效的去碳技術(shù)[1-3]，其中CO2捕集是最核心的工藝流程。勝利發(fā)電廠100×104t/a CO2捕集與利用工程是國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的電廠碳捕集利用（CCU）項(xiàng)目，目前項(xiàng)目處于設(shè)計(jì)階段[3-4]。為精簡(jiǎn)工藝流程，降低工程建設(shè)成本，經(jīng)過(guò)研究和論證，擬將CO2捕集工藝流程設(shè)備合并為一個(gè)煙氣集成處理塔（以下簡(jiǎn)稱(chēng)IPT或塔）[5-6]。IPT高度約65 m，容積1.9×104m3，為特大型容器，無(wú)規(guī)則形狀，內(nèi)部填料段的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于常規(guī)塔器[7-8]。由于IPT為新研發(fā)設(shè)備，因而在設(shè)計(jì)研發(fā)階段需使用有限元軟件對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究[9-10]，并對(duì)IPT進(jìn)行深入的優(yōu)化和改進(jìn)。

1 基礎(chǔ)理論和模型建立

1.1 立題背景

由于IPT是CCUS技術(shù)中首次被提出的概念，需在研發(fā)和設(shè)計(jì)階段進(jìn)行充分驗(yàn)證，對(duì)IPT的結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分試錯(cuò)，才能保證IPT在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期效果。從提出IPT的概念到施工圖的定版過(guò)程中，會(huì)對(duì)IPT進(jìn)行可行性研究和諸多優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化目標(biāo)是使煙氣在所有填料段內(nèi)均可均勻分布，并保證盡可能小的全塔壓降，本質(zhì)上這是一個(gè)研究氣體在大型不規(guī)則設(shè)備中固流耦合狀態(tài)的優(yōu)化問(wèn)題。

在當(dāng)前的工程技術(shù)下，研究此問(wèn)題的方式主要有以下兩種：

（1）建造實(shí)驗(yàn)室模型或中試模型。

（2）使用有限元軟件對(duì)IPT虛擬模型進(jìn)行流體仿真模擬。

本文采用上述第2種方式進(jìn)行深入探討。

1.2 無(wú)量綱數(shù)y+

為了更精確地描述流動(dòng)狀態(tài)，需要對(duì)湍流邊界層分層并分別描述，同時(shí)反映邊界層的相對(duì)位置，為此引入一個(gè)無(wú)量綱數(shù)y+。一般將y+描述為：

式中：μτ為壁面附近流體的剪切速度，m/s；y為計(jì)算節(jié)點(diǎn)離壁面的距離，m；?為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

y+可以近似理解為y處的雷諾數(shù)，同時(shí)也反映了黏性影響隨y變化的特征。y+的引入意味著將湍流邊界層分層，y+較小說(shuō)明流體貼近壁面，在壁面上流體脈動(dòng)速度為零，湍流應(yīng)力很小，此時(shí)黏性對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的影響占主導(dǎo)地位；反之則慣性力占主導(dǎo)地位。y+是湍流模型選擇的重要依據(jù)之一。

1.3 湍流模型選擇

一般常用的湍流模型有：固定湍流黏度、混合長(zhǎng)度、K-ε、K-ω、切應(yīng)力傳輸（Shear Stress Transfer，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SST模型）、SA（Spalart-Allmaras）、LES大渦。固定湍流黏度和混合長(zhǎng)度一般稱(chēng)為零方程模型，即直接使用平均流動(dòng)物理量來(lái)?；瘻u黏性系數(shù)，而不引入任何湍流量。同樣的，SA模型為所謂的單方程模型，即引入了一個(gè)湍流量；K-ε和K-ω歸為所謂的二方程模型，即引入了兩個(gè)湍流量。K-ε為求解湍流動(dòng)能（Turbulent Kinetic Energy，以下簡(jiǎn)稱(chēng)TKE）湍流標(biāo)量K和TKE耗散率ε的輸運(yùn)方程；K-ω則為求解K和單位TKE耗散率ω的輸運(yùn)方程。切應(yīng)力傳輸SST相當(dāng)于對(duì)K-ε和K-ω的改進(jìn)。

煙氣在入口管道中的設(shè)計(jì)流速為12 m/s，空塔氣速設(shè)計(jì)范圍為1～2 m/s，很顯然本案例為高湍流穩(wěn)態(tài)模型，所以可以首先排除層流模型、SA模型（此模型在高雷諾數(shù)下的性能不理想）、LES大渦模型（用于計(jì)算瞬態(tài)流場(chǎng)）。固定湍流黏度模型和混合長(zhǎng)度模型由于只能描述一個(gè)湍流量，本案例也均不選用。對(duì)其余模型的選擇理由如下：

1.3.1K-ε模型

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此模型對(duì)于自由流動(dòng)、帶旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)以及帶有強(qiáng)烈反向壓力梯度且y+＜11的流動(dòng)，計(jì)算性能很差。K-ε模型將每個(gè)流體節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)湍流黏度μt描述如下：

式中：μt為此模型下假設(shè)的流體在計(jì)算節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)湍流黏度，即用來(lái)描述湍流渦旋擴(kuò)散而使流體宏觀上產(chǎn)生附加黏度行為的量，因此μt為?；浚瑹o(wú)量綱；ρ為流體密度，g/mm3；Cμ為常數(shù)，一般取0.09，k為湍流動(dòng)能TKE，J；ε為T(mén)KE的耗散率，%。

因?yàn)閗和ε的耦合傳輸方程在三維流域中的所有流體節(jié)點(diǎn)上都得以解算，所以湍流黏度在整個(gè)流體域中都是變化的。

1.3.2K-ω模型

與K-ε模型的描述相似，K-ω模型將每個(gè)流體節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)湍流黏度μt描述如下：

式中：μt為?；?；ρ為流體密度，kg/m3；k為T(mén)KE，J；ω為T(mén)KE的特定耗散率，%。

與K-ε模型一樣，由于k和ω的耦合傳輸方程在三維流域中的所有流體節(jié)點(diǎn)上都得以解算，所以湍流黏度在整個(gè)流體域中都是變化的。但此模型對(duì)入口自由流體湍流屬性過(guò)于敏感。

1.3.3 SST模型

SST模型結(jié)合了K-ε和K-ω模型。在y+較大時(shí)，SST模型的行為和K-ε模型相同；在y+較小時(shí)，SST模型的行為和K-ω模型相同。SST模型還可以很好地計(jì)算自由流動(dòng)和帶有強(qiáng)烈反向壓力梯度（如存在較多流動(dòng)死區(qū)或阻力帶）的流動(dòng)情況。

綜合考慮，選擇SST模型作為IPT的流場(chǎng)計(jì)算最為合適。需要說(shuō)明的是，所有的兩方程模型均可提供平均流量上湍流效應(yīng)的精準(zhǔn)計(jì)算，但需要一個(gè)較為精細(xì)的3D流網(wǎng)格，由于在IPT這樣的超大模型上應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生巨大的計(jì)算量，所以在進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，每次只操作單個(gè)塔填料段（或功能區(qū)），這樣網(wǎng)格收斂速度較快，問(wèn)題標(biāo)的和分析精度都更為精準(zhǔn)。

1.4 問(wèn)題簡(jiǎn)化

在有限元分析的前處理中，需要首先明確以下幾點(diǎn)：

（1）選取煙氣的節(jié)點(diǎn)速度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)氣速）作為不均勻度的統(tǒng)計(jì)值。

（2）使用氣速樣本中的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征不均勻度，標(biāo)準(zhǔn)差越小，不均勻度越小，即分布越均勻。

（3）煙氣到達(dá)每層填料段時(shí)如果分布均勻，由于填料段自帶再分布器，可近似地認(rèn)定為在填料段內(nèi)也分布均勻，即填料段的存在并不影響分布趨勢(shì)。所以填料段內(nèi)結(jié)構(gòu)無(wú)需建模，只分析空塔即可反映實(shí)際情況。

（4）不考慮降液對(duì)煙氣分布造成的影響，但煙氣分布器的結(jié)構(gòu)不能影響降液的收集。

（5）不考慮溫度場(chǎng)，且為光滑壁面（有摩擦且為恒定值）。

（6）不考慮接管開(kāi)孔，但考慮進(jìn)出口的氣速突變而保留進(jìn)出口煙道。

（7）通過(guò)進(jìn)出口總壓力值計(jì)算空塔壓降，使用煙氣分布器前后的壓降之差即為煙氣分布器自身的壓降。

（8）氣體成分并不影響模擬趨勢(shì)，所以模型使用空氣替代煙氣作為計(jì)算介質(zhì)。

1.5 模型建立

將塔器的內(nèi)部腔體1∶1建模，作為有限元計(jì)算的流體域，煙氣的進(jìn)口和出口各建立長(zhǎng)度為10 m的煙氣管道，折合煙氣進(jìn)口流量為252 m3/s。使用4節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格劃分。

在IPT的每個(gè)拐角處設(shè)置擾流板，建模中用圓角代替，此舉是為了減小拐角突變帶來(lái)的干擾，使之后添加煙氣分布器的效果更加純粹。此時(shí)為初始模型，標(biāo)記為模型A，如圖1所示。

圖1 IPT模型A軸測(cè)示意

2 初步解算結(jié)果及模型改進(jìn)

2.1 初步解算結(jié)果

利用有限元模型A求解得到塔內(nèi)氣速分布，如圖2所示。

圖2 模型A塔內(nèi)氣速分布/（m·s-1）

從圖2（a）可以看出：氣速在各填料段內(nèi)的分布非常不均勻，預(yù)處理段和處理段由于擾流板的強(qiáng)制換向，已經(jīng)出現(xiàn)了左右速度分區(qū)的現(xiàn)象。

從圖2（b）可以看出：存在兩個(gè)大的渦流，分別位于處理段和干燥段。需要說(shuō)明的是，干燥段不存在傳質(zhì)操作，所以存在的渦流并不影響工藝性能，只是渦流的空洞侵占了部分塔內(nèi)空間，會(huì)造成效率下降。因此對(duì)此渦流可以不消除，但要盡量縮小渦流范圍或填充空洞。

2.2 解算結(jié)果

針對(duì)上述問(wèn)題，根據(jù)圖2的氣速分布特點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的模型標(biāo)記為模型B，如圖3所示。

圖3 模型B軸測(cè)示意

具體改進(jìn)措施如下：

（1）使用煙氣分布器對(duì)惡化較為嚴(yán)重的流場(chǎng)前端進(jìn)行分割和導(dǎo)向，以削弱大流道帶來(lái)的湍流程度，并降低擾流板強(qiáng)制換向帶來(lái)的反彈效果。

（2）煙氣從處理段到干燥段由塔器頂部過(guò)渡完成，在此過(guò)程中氣速方向是完全相反的。所以塔器頂部不采用煙氣分布器，而改為更為有效的收集傘帽和再分布傘帽，以對(duì)煙氣平穩(wěn)“調(diào)頭”。

（3）限于塔器周邊的管道和建筑遮擋，出口煙道無(wú)法改成理想的兩側(cè)出口。將煙道插入塔內(nèi)，并斜上45°開(kāi)口，用于和塔頂來(lái)氣形成垂直的氣流路徑，減少渦流。

利用有限元對(duì)模型B求解得到塔內(nèi)氣速分布，如圖4所示。

圖4 模型B塔內(nèi)氣速分布/（m·s-1）

從圖4可以看出，模型B具有如下特點(diǎn)。

（1）預(yù)處理段的煙氣已經(jīng)均勻分布，即已經(jīng)優(yōu)化完畢。

（2）干燥段的渦流依然存在，但要小很多，且中間空洞減少較多，對(duì)效率的影響已可以接受。之前已經(jīng)論證過(guò)此處的渦流可以存在，較為理想的解決方案是填充。所以判定干燥段也已優(yōu)化完畢。

（3）由于外部空間原因，塔頂兩個(gè)傘帽之間的氣體走廊設(shè)計(jì)得較為狹窄，造成此處的氣速較高，為25.95 m/s，但不影響煙氣在填料段的分布性能。

（4）處理段的渦流依然存在，位置向左下方移動(dòng)，且變得更為狹長(zhǎng)，后面有多個(gè)弧形空洞出現(xiàn)，并呈現(xiàn)出剝離趨勢(shì)。說(shuō)明之前的大渦流在這里已經(jīng)演變?yōu)闇u街。渦街的存在可能會(huì)引起填料層振動(dòng)，此塔的大跨度填料層對(duì)振動(dòng)又是較為敏感的，所以渦街必須消除。

為消除渦街，需要改進(jìn)煙氣分布器。理論上的改進(jìn)方案有二。

（1）增加分布器導(dǎo)流板數(shù)量，可將煙氣分割得更為細(xì)化，但對(duì)消除渦街作用較小，可能會(huì)將原渦街分割成更小的渦街。導(dǎo)流板數(shù)量越多，分布器的氣阻也會(huì)越大。

（2）延長(zhǎng)分布器導(dǎo)流板的長(zhǎng)度，可增加煙氣的穩(wěn)定路徑。延長(zhǎng)方向可分為正向（即延長(zhǎng)方向與煙氣流動(dòng)方向相同）和反向。反向延長(zhǎng)可使煙氣從初始狀態(tài)就被分割，并減少進(jìn)入分布器前的亂流，但此結(jié)構(gòu)會(huì)影響降液的收集。

綜上所述，將煙氣分布器的導(dǎo)流板正向延長(zhǎng)2 m。考慮到其他部分均已優(yōu)化完畢，將整體模型參與計(jì)算只會(huì)增加無(wú)效計(jì)算量，延長(zhǎng)后更為細(xì)長(zhǎng)的煙氣分布器會(huì)破壞整體網(wǎng)格質(zhì)量，故將處理段分割出來(lái)單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化。將預(yù)處理段和處理段之間的煙道狀態(tài)作為邊界條件，建立有限元模型，標(biāo)記為模型C，將模型C解出速度流線圖，如圖5所示。

圖5 模型C及其速度流線/（m·s-1）

從圖5可以看出，改進(jìn)后的煙氣分布器已經(jīng)完全消除了渦街，且可以很好地將煙氣分布均勻。至此，IPT全部功能區(qū)均已完成優(yōu)化。

云圖和流線圖可以很直觀地看出趨勢(shì)和判定效果，但精確的數(shù)值統(tǒng)計(jì)需要對(duì)云圖進(jìn)行采樣。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行定量分析和對(duì)比。

3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

3.1 數(shù)據(jù)采集和分析

在模型A和模型B中相同的位置進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)（即采樣面上所有點(diǎn)）分別位于預(yù)處理段、處理段、干燥段。在模型C中間截面處取樣，用于和模型A及模型B的處理段樣本進(jìn)行對(duì)比。采樣位置如圖6所示。

圖6 采樣位置示意

氣速單位按mm/s整理出采樣點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差。因模型A～C均含有處理段，圖7將其全部列出。

圖7 各模型處理段樣本氣速分布

從圖7可以直觀看出離散點(diǎn)在模型A～C中的分布愈趨于集中。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，模型A處理段標(biāo)準(zhǔn)差為1 812，模型B處理段標(biāo)準(zhǔn)差為1 158，模型C處理段標(biāo)準(zhǔn)差為792。

限于篇幅，其他填料段的過(guò)程數(shù)據(jù)不再列舉。將所有填料段的最終數(shù)據(jù)整理至表1。

表1 各模型填料段標(biāo)準(zhǔn)差和煙氣分布均勻度提升幅度

增加煙氣分布器后，全塔壓降由245 Pa增至852 Pa，增大了607 Pa，工藝上對(duì)IPT整體壓降的要求是控制在8 kPa以?xún)?nèi)，煙氣分布器帶來(lái)的壓降占比僅為7.6%。

3.2 結(jié)論

由表1可知，優(yōu)化后的煙氣分布均勻度相比初始模型，處理段提升了56.3%，預(yù)處理段提升了41.4%，干燥段提升了32.2%。每個(gè)填料段的分布均勻度提升幅度是相當(dāng)可觀的，說(shuō)明優(yōu)化方向正確，優(yōu)化效果顯著。在添加煙氣分布器后，壓降僅增加了7.6%，對(duì)塔器引風(fēng)機(jī)造成的壓頭損耗比較小，說(shuō)明優(yōu)化后的煙氣分布器工藝性能優(yōu)良。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述煙氣分布器結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、可靠，建造成本低，性?xún)r(jià)比高。此結(jié)構(gòu)的引入為方形塔器氣體分布器的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路，為IPT的整體設(shè)計(jì)指出了正確方向。同時(shí)，使用有限元分析驗(yàn)證，相比采用建造實(shí)驗(yàn)室實(shí)體模型或中試模型等傳統(tǒng)方式，可以顯著降低新設(shè)備在研發(fā)過(guò)程中的試錯(cuò)成本，大幅提高設(shè)計(jì)效率，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程案例中，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于無(wú)需建造實(shí)體驗(yàn)證模型，所以降低了研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中的碳排放，做到了“過(guò)程減排”和“二次減排”。